The explicit nonlinear dynamic relaxation method (DRM) is applied to the nonlinear geodesic shape finding analysis by introducing fictional tensioned 'strings' along the desired seams with a three or four-node membrane element. A number of results from the numerical example for the nonlinear geodesic shape finding and patterning analysis are obtained by the proposed method to demonstrate the accuracy and efficiency of the developed method. Therefore, the proposed geodesic shape finding algorithm may improve the applicability of a four-node membrane element to membrane structural engineering and design analysis simultaneously for the shape finding, stress, and patterning analysis.
The object of this study is shape finding and cutting pattern generation of membrane structures under the following assumptions : (1) material is linearly elastic (2) stress state is plane stress. Cable and membrane structures should introduce the nonlinear analysis considering geometric nonlinearity because these structures deform largely under the external loads. The analysis procedure is consisted of three steps considering geometric nonlinearity unlike any other structures. First step is the shape finding analysis to determine the initial equilibrium shape. Second step is the stress-deformation analysis to investigate the behaviors of structures under various external loads. Once a satisfactory shape has been found, a cutting pattern based on the shape finding analysis may be generated from the view point of construction. In this paper, (1) shape finding analysis formulation and an example, (2) cutting pattern determination procedure using weighted least-square minimization flattening method and some results are presented.
The object of this study is shape finding and cutting pattern generation of membrane structures under the following assumptions: (1) material is linearly elastic (2) stress state is plane stress. Cable and membrane structures should introduce the nonlinear analysis considering geometric nonlinearity because these structures deform largely under the external loads. The analysis procedure is consisted of three steps considering geometric nonlinearity unlike any other structures. First step is the shape finding analysis to determine the initial equilibrium shape. Second step is the stress-deformation analysis to investigate the behaviors of structures under various external loads. Once a satisfactory shape has been found, a cutting pattern based on the shape finding analysis may be generated from the view point of construction. In this paper, after shape finding analysis, cutting pattern determination procedure using weighted least-square minimization flattening method and some results are presented.
This study purports to analyze equally stressed surfaces in tension-membrane structures through a geometrically nonlinear approach. It adopts the formulation of a 4-node quadrilateral isoparametric plane stress element considering the orthotropic characteristic of membrane textures. Tension structures, which include cables and tension membranes, such as a cable dome initially exhibit unstable conditions because no initial internal stiffness such as bending stiffness is present. Such a structural system requires prestressing to the tension members to attain a stable state. A tension-membrane structure retains a stable three dimensional curved surface as a structural shape. This analytical process for finding the geometry is referred to as Shape Finding Analysis. In order to assess the validity of this study, we examine equally stressed surfaces of saddle and catenary shape shell structures and carry out pertinent stress analyses
This study aims to develop a form-finding algorithm for a single-layered pneumatic membrane. The initial shape of this pneumatic membrane, which is an air-supported type pneumatic membrane, is to find a state in which a given initial tension and internal pneumatic pressure are in equilibrium. The algorithm developed to satisfy these conditions is that a nonlinear optimization problem based on the force method considering the deformed shape is formulated, and, it's able to find the shape by iteratively repeating the process of obtaining a solution of the governing equations. An computational technique based on the Gauss-Newton method was used as a method for obtaining solutions of nonlinear equations. In order to verify the validity of the proposed form-finding algorithm, a single-curvature pneumatic membrane example and a double-curvature air pneumatic membrane example were adopted, respectively. In the results of these examples, it was possible to well observe the step-by-step convergence process of the shape of the pneumatic membrane, and it was also possible to confirm the change in shape according to the air pressure. In addition, the calculation results of the shape and internal force after deformation due to initial tension, air pressure, and self-weight were obtained.
Dynamic relaxation method is a shape finding analysis method for flexible structures by introducing the dynamic equilibrium equation. However, it is difficult for shape finding to estimate the most appropriate values for the mass and damping on each shape because the values are random one. In this study, the unit mass, the unit damping and the principal direction stiffness are utilized to avoid the random values, and the Newmarks assumption is introduced during the dynamic analysis. By introducing variant time increment method presented, the convergence time is reduced, that is, it can be reduced the total times for analysis.
연성구조시스템 중 하나인 막 구조물은 대공간 구조물에 많이 사용되어진다. 막 구조물은 축강성이 강하고 휨강성이 매우 작은 재료로서 구조물의 설계는 강성구조물과는 달리 형상해석, 응력-변형해석 그리고 재단도 등의 일련의 과정을 필요로 한다. 막 구조물의 형상해석은 일반적으로 초기 불안정 상태의 막 면에 초기강성을 부여함으로서 평형상태에 이르게 되는 역학적 메커니즘을 가지고 있으며, 이와 같은 곡면을 해석적으로 구하는 데는 해석상의 수렴 및 발산 그리고 오차 발생에 따른 문제를 해결해야만 한다. 본 논문에서는 막 구조물의 초기곡면을 형성하기 위한 형상탐색기법에 대한 수렴 및 오차에 관하여 연구하고, 적용된 예제의 해석 결과를 바탕으로 해가 수렴해 가는 과정 및 제어변수에 따른 수렴속도 및 효율성을 살펴본다.
Membrane structures, a kind of lightweight soft structural system, are used for spatial structures. The material property of the membrane has strong axial stiffness, but little bending stiffness. The design procedure of membrane structures are needed to do shape finding, stress-deformation analysis and cutting pattern generation. In shape finding, membrane structures are unstable structures initially. These soft structures need to be introduced initial stresses because of its initial unstable state, and happen large deformation phenomenon. Therefore, in this study, to find the structural shape after large deformation caused by initial stress, we need the shape analysis considering geometric nonlinear term. And we investigate the evaluation of shape analysis technique's convergence and efficiency according to the control method
In this study, the 'force density method' for shape finding of cable net structures is presented. This concept is based on the force-length ratios or force densities which are defined for each branch of the net structures. This method renders a simple linear 'analytical form finding' possible. If the free choice of the force densities is restricted by further condition, the linear method is extended to a nonlinear one. The nonlinear one can be applied to the detailed computation of networks. In this paper, the general inverse matrix is introduced to solve the nonlinear equilibrium equation including Jacobian matrix which is rectangular matrix. Several examples for linear and nonlinear analysis applied additional constraints are presented. It is shown that the force density method is suitable for form finding of cable net and the general inverse matrix can be applied to solve the nonlinear equation without Lagrangian factors.
Membrane structures, a kind of lightweight soft structural system, are used for spatial structures. The material property of the membrane has strong axial stiffness, but little bending stiffness. The design procedure of membrane structures are needed to do shape finding, stress-deformation analysis and cutting pattern generation. In shape finding, membrane structures are unstable structures initially. These soft structures need to be introduced initial stresses because of its initial unstable state, and it happens large deformation phenomenon. And also there are highly varied in their size, curvature and material stiffness. So, the approximation inherent in cutting pattern generation methods is quite different. Therefore, in this study, to find the structural shape after large deformation caused by Initial stress, we need the shape analysis considering geometric nonlinear ten And the geodesic line on surface of initial equilibrium shape and the cutting pattern generation using the geodesic line is introduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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